不只是Maker的玩具還能救你的命,3D列印在醫療以及建築上有哪些用途?

3D列印的技術強大到可以製作一台鋼琴,而荷蘭政府研擬用3D列印建造一座橫跨運河的橋樑,杜拜政府則打算用這個技術蓋一座大樓。就讓我們來複習並且瞭解一下,3D列印還可以用在生活的哪些面向?

3D列印是從製造業的改革開始

現在講到3D列印,大家一開始可能會想到許多廠商推出可以在家自己列印3D成品的3D印表機,不過3D列印最早推出之時,並不是設計給個人或是家庭使用。

快速製作原型為目的

3D列印的起源可追溯到1980年代,一些新創公司和學院研發一些機器,希望可以在幾分鐘內依照數位設計,製作出立體的模型,過去製作模型的方法,是將物體做切割、塑形,而新的技術採用的是「增量」的方法,將模型一點一滴的累積成形,可以更快速地完成模型,也就是工業上的「快速成型」(rapid prototyping)。狹義的3D列印是單指成型的過程,而廣義的3D列印則包含相關的技術。

多個平面累積為一個立體模型

那麼3D列印究竟是怎麼製作原型的呢?傳統的2D平面列印,不管是雷射印表機還是噴墨印表機,都是將碳粉或是墨水疊加在平面的紙上,呈現出印表機接收到的資訊,這種「加」上去的效果就是3D列印的最基本概念。試想,把2D列印的墨水、碳粉換成可以固態化的材質,噴出的材料可以立刻化為固體,接著再多加一個噴頭,讓原本只能在平面移動的噴頭,多了一個「高度」(Z軸),而在電腦中建立好的模型,由軟體進行數位切片,轉換成一個個訊號—G-code,印表機接收到G-code訊號就可以噴出一個個平面,一個個平面逐層疊加上去,像樂高積木一樣,最後就是完成的成品。

 

什麼是G-code?

G-code在3D列印的過程中扮演重要的角色,數位模型在電腦內經由軟體
切成一個個平面,而這些平面會被轉換為G-code訊號,傳遞到印表機,機
器收到訊號後,噴頭吐出的東西會先是1個平面,接著再把一個個平面加上
去,就成了3D的立體成品。

 

3D列印為生活帶來便利及隱憂

原來3D列印就像疊紙張一樣,一張一張放上去,結合不同的材料、技術,就可以做出多種的變化,聽起來如此「簡單」的過程,發展卻充滿困難及隱憂。

技術及材料組合多樣化

如同前一頁說到的,2D印表機是噴出碳粉或是墨水,而3D印表機的原料則有各種型態:液態、糊狀或粉末,有些會自然硬化,其他則須以熱或光來熔合,過去曾經用在3D列印的材料有塑膠、蠟、樹脂、木材、混凝土、黃金,鈦、碳纖維、巧克力,連活體組織都可以。舉例來說,NASA正在研發可以送上外太空的食物機,確保太空人的飲食,如此一來不必費心為長時間旅途準備多樣固體食物。

目前朝兩個主要方向發展

在1980年代之後,3D列印也發展快速,多樣的技術和材料讓應用的層面愈來愈廣,而印表機發展的方向主要有兩個:

1.簡單的3D列印機器;小型創業團隊、創客、自造者可以使用,甚至有人比喻3D列印像個人電腦,因其可以讓使用者發明出新的物件。

2.複雜的3D列印機器;大型製造商和製造業合作開發,用於各個層面,包含飛機零件、生物醫學裝置,結合日新月異的檔案技術,在電腦中事先模擬產品樣態,讓設計師開始製作前就可以改良產品,成本也可以降到最低。

恐引發智慧財產權問題

可是即使發展快速,3D列印仍有其困難及隱憂,第一,雖然可以事先在電腦內進行模擬,並快速製作模型,但若是用於製造真實的產品,速度上還是相對慢,試著將3D列印想作為蓋房子,而一般的工業製造為拆房子,只要把不要的地方移除即可,而拆房子當然比蓋房子還要快速。製造過程中涉及的多樣技術,也容易讓品質不穩定,需準確控制材料硬化或是融合的時間,如此一來亦不容易製作複雜物件。

而且人人都有3D印表機以及電腦軟體後,可輕易地複製任何成品,但複製的成品究竟該屬於原作者還是印表機操作人?如此也衍生出智慧財產權等相關問題,還有列印出來的食物安全度是否足夠,醫療用品是否符合規範,都是相關單位還需要修法跟上時代的部分。

 

 

 

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